Lipoxygenase

Lipoxygenase (LOX, EC 1.13.11.12) ist eine Oxidoreduktase, eine Art von nicht-häm-eisenhaltigem Protein, das spezifisch mehrfach ungesättigte Fettsäuren mit einem cis,cis-1,4-Pentadien katalysiert und ein Wasserstoffperoxid-Derivat mit einer konjugierten Doppelbindung durch intramolekulare Oxygenierung erzeugt. Lipoxygenase kann unerwünschte Geschmäcker in verarbeiteten Früchten und Gemüse verursachen und kann auch die Farbe, das Aroma und den Geschmack während der Lagerung und Verarbeitung von Ölen und öligen Lebensmitteln beeinträchtigen. Lipoxygenase kann jedoch als grüner Lebensmittelzusatzstoff die Qualität von Weizenmehl verbessern. Die Forschung zu Lipoxygenase ist von großer Bedeutung für die Entwicklung der modernen Lebensmittelindustrie, der chemischen Industrie, der Fermentation und anderer Industrien.

Quellen

Lipoxygenase ist weit verbreitet in Tieren und Pflanzen und hat eine hohe Enzymaktivität in Hülsenfrüchten, insbesondere in Sojabohnen. 1932 fanden Andre et al. heraus, dass der Bohnen-Geschmack in Sojabohnen hauptsächlich durch Lipoxygenase verursacht wird. 1947 extrahierten Theorell et al. erstmals Lipoxygenase-Kristalle aus Sojabohnen. Hülsenfruchtsamen, wie Sojabohnen, Ackerbohnen, usw., sind reich an Lipoxygenase. Der Proteingehalt in Sojabohnen beträgt etwa 40 %, und in reifen Samen macht Lipoxygenase 1-2 % des gesamten Proteingehalts aus. Die Lipoxygenase-Aktivität in Sojabohnen ist höher als die von Lipoxygenase, die aus anderen Pflanzen extrahiert wird, und die Effizienz der Extraktion von Lipoxygenase aus Sojabohnen ist höher. Daher wurden die meisten Studien unter Verwendung von Sojabohnen-Lipoxygenase als Modell durchgeführt. Darüber hinaus wurde das Vorhandensein von LOX auch in Algen, Bäckerhefe, Pilzen und cyanogenen Bakterien festgestellt.

Klassifikation

LOX in Sojabohnensamen hat drei Isoenzymtypen, nämlich LOX-1, LOX-2 und LOX-3. Die Isoenzyme LOX-7 und LOX-8 wurden ebenfalls kurz nach einer Verletzung aus Sojabohnenblättern isoliert. Es wurde auch festgestellt, dass diese beiden Isoenzyme in jungen Blättern, Blüten und unreifen Schoten vorhanden sind und eine hohe enzymatische Aktivität aufweisen. Die Kristallstruktur von Soja-LOX-1 und LOX-3 wurde identifiziert. Die Forscher isolierten auch drei LOX-Isoenzyme aus reifen Reisembryonen, die je nach Elutionsreihenfolge der Chromatogramme LOX-1, LOX-2 und LOX-3 genannt wurden, wobei LOX-1 und LOX-2 zur Klasse II LOX gehören, während LOX-3 zur Klasse III LOX gehört.

Struktur

Lipoxygenase ist eine Oxidoreduktase, eine Art von nicht-häm-eisenhaltigem Protein, das spezifisch mehrfach ungesättigte Fettsäuren mit einem cis,cis-1,4-Pentadien katalysiert und ein Wasserstoffperoxid-Derivat mit einer konjugierten Doppelbindung durch intramolekulare Oxygenierung erzeugt. Die Struktur der aktiven Stelle der Lipoxygenase ist nicht vollständig verstanden, und die aktive Gruppenstelle könnte Eisen, aromatische Aminosäurereste und Methioninreste enthalten. Im Soja-LOX-1-Modell enthält das Eisenion-Zentrum fünf endogene Liganden und einen exogenen Liganden. Der endogene Ligand umfasst drei Histidinreste, einen Isoleucinrest und einen Asparaginrest. Der exogene Ligand ist ein Wassermolekül.

Eigenschaften

LOX hat strukturelle Spezifität für Substrate. Mehrfach ungesättigte Fettsäuren und Fettsäureester, die eine cis,cis-1,4-Pentadienstruktur enthalten, können als Substrate für LOX verwendet werden. In Pflanzen sind die natürlichen Substrate hauptsächlich Linolsäure und Linolensäure. In Tieren ist das natürliche Substrat hauptsächlich Arachidonsäure. Verschiedene Quellen von LOX haben unterschiedliche Substrate, was zu unterschiedlichen Oxygenierungspositionen und unterschiedlichen Produkten führt.

Die Substrate für LOX-1 sind ungesättigte Fettsäuren, die Produkte sind 13-Hydroperoxide. Die Substrate für LOX-2 sind veresterte Substrate, und die Produkte sind 9- oder 13-Hydroperoxide. Der optimale pH-Wert und die Temperatur von LOX aus verschiedenen Quellen sind unterschiedlich. Die optimale Temperatur von Reis-LOX beträgt 30 °C, und der optimale pH-Wert beträgt 7,6. Die optimale Temperatur von Ackerbohnensamen beträgt 30 °C, der optimale pH-Wert beträgt 6. Die optimale Temperatur von Gurken-LOX beträgt 40 °C, der optimale pH-Wert beträgt 7. Die optimale Temperatur von Tomaten-LOX beträgt 20 °C, und der optimale pH-Wert beträgt 6.

Katalytischer Mechanismus

Der Prozess, durch den LOX die Oxidation von Linolsäure katalysiert, unterscheidet sich von der automatischen Oxidation von Linolsäure. Zuerst oxygeniert Linolsäure LOX, um einen Komplex zu bilden. Anschließend bildet der Komplex einen doppelten radikalen Aktivator auf der Oberfläche des Enzyms, d.h. ein Wasserstoffion und ein Elektron werden von der Linolsäure auf das Sauerstoffmolekül übertragen. Das doppelte Radikal bindet an die Oberfläche des Enzymmoleküls, um Linolsäure-Wasserstoffperoxid zu bilden, das vom Enzym getrennt und abgelöst wird. Die Freie-Radikal-Theorie besagt jedoch, dass zuerst die Wasserstoffatome das Substrat verlassen, während die Eisenionen reduziert werden. Molekularer Sauerstoff reagiert mit Substratradikalen, um peroxidische Radikale zu bilden, was möglicherweise mit der Umwandlung von O₂ in O₂ ▪-Freie Radikale einhergeht. Schließlich wird das Peroxy-Radikal durch Eisen in der LOX reduziert, um ein Hydroperoxid zu bilden. Das Eisen in LOX wird in Fe³⁺ umgewandelt und wieder in einen aktiven Zustand zurückverwandelt. In den letzten Jahren wurde die Transferreaktion von Protonen und Elektronen in Soja-LOX bestätigt, die die Wasserstofftransfer-Theorie während der LOX-Reaktion unterstützt. Es wird theorisiert, dass LOX den Transfer von Wasserstoffatomen von der Linolsäure als Substrat zu Eisenionen katalysiert. Protonen und Elektronen werden gleichzeitig zwischen dem Donor und dem Akzeptor übertragen, was zu einem effizienten Wasserstofftunneling-Effekt führt. Daher kann bestätigt werden, dass das katalytische Zentrum von LOX eine enge Beziehung zu Eisenionen hat.

Abbildung 2. Die LOX-Reaktion und die regio-spezifische Natur des Reaktionsmechanismus. (Andreou A. et al. 2009)

Anwendung

Lipoxygenase wird in Weizenmehl verwendet, um Pigmente im Mehl zu oxidieren und Mehlprodukte aufzuhellen. Lipoxygenase oxidiert ungesättigte Fettsäuren, um Peroxide zu bilden, die die Sulfhydrylgruppen in Proteinmolekülen oxidieren, um Disulfidbindungen zu bilden, wodurch die Glutenstärke erhöht wird. LOX katalysiert die Oxidation von mehrfach ungesättigten Fettsäuren zur Produktion von Hydroperoxiden, die durch Homogenisierung oder β-Spaltung in sekundäre Sauerstoffprodukte wie Aldehyde und Ketone zerlegt werden und weiter in ungesättigte Aldehyde, Ketone und Alkohole gespalten werden. Es handelt sich um eine Art von Verbindung, die einen Fruchtgeschmack ähnlich dem von Apfel, Melone, Mango, usw., sowie flüchtige Aromen wie frischen Fisch, Austern, Algen, grasiges Gras, usw. bildet.

Neben den vielen Geschmacksstoffen kann Lipoxygenase auch in der industriellen Produktion von Farbstoffen, Beschichtungen, Reinigungsmitteln, Polyvinylchlorid-Weichmachern, usw., und als Zwischenprodukt für die Arzneimittelsynthese verwendet werden. Die meisten Weichmacher werden aus Erdöl hergestellt. Wenn die Fettsäure oder der Fettsäureester selektiv von Lipoxygenase katalysiert wird, um ein spezifisches Derivat einer Wasserstoffperoxid-Fettsäure und deren Ester zu bilden, und dann epoxidiert wird, um ein epoxidiertes Öl zu bilden, kann die Menge an Erdöl reduziert werden. Das Wasserstoffperoxid-Öl wird reduziert, um Hydroxy-Fette zu erhalten, die oxidiert werden, um ungesättigte Säuren und Aldehyde zu bilden, und weiter reagiert, um Dibasische Säuren zu erhalten, die wichtige Anwendungen in der Lebensmittel-, Chemie- und Biotechnologieindustrie haben.

Referenz